李坤 李強(qiáng) 蹇蘭

摘要：從電氣設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面對(duì)大功率固體繼電器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述。分析了大功率固體繼電器主要的失效因素;在電氣設(shè)計(jì)分析中，分別從MOS管的選用設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)兩個(gè)方面進(jìn)行論述;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，針對(duì)于不同結(jié)構(gòu)形式的產(chǎn)品，確定更合適的MOS管安裝方式;從殼體的表面積、材料選用和以及壁厚三個(gè)要素對(duì)殼體的設(shè)計(jì)進(jìn)行了論述;闡述了能夠有效減小引線(xiàn)腳電阻的可行性方案。本文為大功率固體繼電器提供了設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：固體繼電器;大功率

1 引言

接觸器是傳統(tǒng)的、也是目前常見(jiàn)的大功率繼電器，但接觸器在切換高壓負(fù)載時(shí)，很容易產(chǎn)生拉弧，而且電壓越高，拉弧就越嚴(yán)重，負(fù)載壽命次數(shù)也會(huì)越少;同時(shí)由于接觸器為機(jī)械觸點(diǎn)，其抗環(huán)境機(jī)械應(yīng)力的能力較差;而且目前市場(chǎng)上的接觸器多為非氣密性。作為固體繼電器發(fā)展的一個(gè)重要分支，高壓大功率固體繼電器相對(duì)與傳統(tǒng)的接觸器，具有負(fù)載體積比高、壽命長(zhǎng)、環(huán)境機(jī)械應(yīng)力適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，越來(lái)越受到市場(chǎng)的關(guān)注。高壓大功率固體繼電器在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的地面裝備、航空航天等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，但我國(guó)在這方面與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)水平還存在一定差距，因此高壓大功率固體繼電器方面的研究就顯得更有意義。

2 設(shè)計(jì)分析

大功率固體繼電器的主要失效模式為過(guò)熱失效;因此對(duì)于大功率固體繼電器的設(shè)計(jì)而言，必須要做到“節(jié)源開(kāi)流”，就是要盡可能降低產(chǎn)品的發(fā)熱源的發(fā)熱功率，降低發(fā)熱量，而熱量的產(chǎn)生通常包括了靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗;其次是要盡可能的降低芯片與外殼的熱阻，讓產(chǎn)生的熱量盡可能的散發(fā)出去，不至于因?yàn)楫a(chǎn)品內(nèi)部發(fā)熱量的累積導(dǎo)致內(nèi)部芯片溫升過(guò)高而失效。因此本文從高壓大功率固體繼電器電氣設(shè)計(jì)和高壓大功率固體繼電器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

3 電氣設(shè)計(jì)

大功率固體繼電器的設(shè)計(jì)是在繼承普通固體繼電器電氣設(shè)計(jì)技術(shù)的基礎(chǔ)上，加上高壓、

大功率固體繼電器研發(fā)所特殊的要求而進(jìn)行的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其在輸出端功率開(kāi)關(guān)管

選用設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)上都與普通的固體繼電器有很大不同，本文以MOS管作為輸出端功率開(kāi)關(guān)管來(lái)進(jìn)行闡述。

3.1 MOS管的選用設(shè)計(jì)

靜態(tài)功耗是固體繼電器處于穩(wěn)定接通狀態(tài)時(shí)熱量的主要來(lái)源，它是通過(guò)MOS管的電流平方與輸出接通電阻的乘積。通常情況下，負(fù)載電流較小的固體繼電器對(duì)MOS管的導(dǎo)通電阻要求并不是很苛刻，如2A負(fù)載電流，導(dǎo)通電阻增加10mΩ，其靜態(tài)功耗只增加0.04W，對(duì)產(chǎn)品的溫升幾乎不產(chǎn)生影響;但對(duì)于大功率固體繼電器，特別是負(fù)載電流很大時(shí)，MOS管的導(dǎo)通電阻每增加1mΩ，都會(huì)大大增加輸出端的靜態(tài)功耗，如當(dāng)負(fù)載電流為50A時(shí)，MOS管的導(dǎo)通電阻每增加1mΩ，其靜態(tài)功耗就會(huì)增加2.5W，產(chǎn)生的熱量將會(huì)迅速增加。

受半導(dǎo)體器件工藝水平的限制，短期內(nèi)，MOS管的導(dǎo)通電阻沒(méi)有辦法實(shí)現(xiàn)無(wú)限減小，零點(diǎn)幾個(gè)毫Ω是目前的極限水平，因此在大功率固體繼電器設(shè)計(jì)時(shí)，通常一顆MOS管無(wú)法滿(mǎn)足單路大負(fù)載電流的需求，此時(shí)必須通過(guò)多個(gè)MOS管并聯(lián)的方式來(lái)降低輸出接通電阻，以?xún)蓚€(gè)MOS管并聯(lián)為例，如圖1所示。

MOS管并聯(lián)時(shí)，由于其結(jié)電容的存在，如果公用同一個(gè)驅(qū)動(dòng)源時(shí)，很容易產(chǎn)生諧振干擾，使MOS管無(wú)法正常工作，因此為了消除干擾，需要在MOS管的G極串聯(lián)一個(gè)電阻，如圖1所示。MOS管并聯(lián)，目的是降低導(dǎo)通電阻，而非提高負(fù)載電流的承受能力，必須要保證單個(gè)MOS管的負(fù)載電流大于額定負(fù)載電流，瞬間過(guò)負(fù)載能力大于產(chǎn)品規(guī)定的過(guò)負(fù)載能力。通常情況下，MOS管必須進(jìn)行負(fù)載電壓和負(fù)載電流兩個(gè)方面降額，其中負(fù)載電壓的降額因子應(yīng)至少達(dá)到0.5，負(fù)載電流的降額因子應(yīng)至少達(dá)到0.3。

3.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

除了選擇合適的MOS管，以及采取多塊芯片并聯(lián)以降低其靜態(tài)功耗發(fā)熱量的問(wèn)題，高壓大功率繼電器的驅(qū)動(dòng)電路的電氣設(shè)計(jì)還有著其特殊的要求，半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件無(wú)法像機(jī)械觸點(diǎn)那樣做到瞬間接通或瞬間關(guān)斷，其接通和關(guān)斷是有一個(gè)過(guò)程的，而在此過(guò)程中恰恰是開(kāi)關(guān)器件發(fā)熱量最大的時(shí)候，這個(gè)過(guò)程的功耗稱(chēng)為固體繼電器的動(dòng)態(tài)功耗。

我們假設(shè)產(chǎn)品負(fù)載電壓為270V，回路電流為50A，采用光伏隔離方式電路，對(duì)其導(dǎo)通過(guò)程進(jìn)行電氣仿真，仿真電路和結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖3可知，MOS管的導(dǎo)通過(guò)程并不是階躍信號(hào)，而是一個(gè)緩慢變化過(guò)程，整個(gè)過(guò)程持續(xù)了大約560μs（0.56ms）。假設(shè)在觸點(diǎn)斷開(kāi)過(guò)程中的中間時(shí)刻，開(kāi)關(guān)器件兩端電壓為135V，那么另外的135V就直接加在5.4Ω的電阻兩端。此時(shí)，回路的電流為： ，則在該時(shí)刻，MOS管所承受的功耗為： 。由圖2可知，在MOS管的導(dǎo)通過(guò)程中，其電壓在不斷的變化，則回路電流也在實(shí)時(shí)的變化。為了準(zhǔn)確計(jì)算其導(dǎo)通過(guò)程所產(chǎn)生的熱量，我們專(zhuān)門(mén)編制了一個(gè)程序，利用近似求積分的方法，將其導(dǎo)通過(guò)程分成若干份（根據(jù)軟件計(jì)算結(jié)果，將網(wǎng)格劃分到100次以上就可以基本接近其真實(shí)值），分別計(jì)算其導(dǎo)通過(guò)程瞬時(shí)功率及發(fā)熱量，最后進(jìn)行求和，為了計(jì)算方便，我們假設(shè)其關(guān)斷過(guò)程為線(xiàn)性的，最后，計(jì)算出在導(dǎo)通過(guò)程中，MOS管的發(fā)熱量為1.26焦耳。因整個(gè)導(dǎo)通過(guò)程時(shí)間極短，為了計(jì)算方便，我們忽略了傳導(dǎo)、對(duì)流以及輻射的熱量損失。根據(jù)物理中的熱量計(jì)算公式可以求得芯片的溫升。 ，其中m為芯片的質(zhì)量，ρ為芯片材料硅的比熱，經(jīng)查，硅的比熱為700J/（Kg.℃），經(jīng)實(shí)際測(cè)量，芯片質(zhì)量為10mg左右，代入公式計(jì)算可得：Δt≈180℃。這么高的溫升顯然是半導(dǎo)體芯片所不能承受的。這也是導(dǎo)致高壓、大功率固體繼電器試驗(yàn)過(guò)程屢有燒毀的原因。所以說(shuō)，高壓大功率固體繼電器電路設(shè)計(jì)的核心就是如何降低MOS管的開(kāi)啟和關(guān)斷時(shí)間，最大限度的降低其開(kāi)關(guān)過(guò)程動(dòng)態(tài)功耗。

鑒于變壓器隔離型的驅(qū)動(dòng)電流較大，能夠有效縮短接通時(shí)間，因此對(duì)于大功率固體繼電器，通常采用變壓器隔離方式來(lái)解決光伏隔離形式固體繼電器接通時(shí)間慢的問(wèn)題，采用變壓器隔離后，通常能夠?qū)a(chǎn)品的接通時(shí)間縮短至幾十個(gè)μs，驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖3所示。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于大功率固體繼電器，除了在電路設(shè)計(jì)上要充分降低產(chǎn)品的管壓降和通斷過(guò)程的上升沿與下降沿時(shí)間，降低其開(kāi)關(guān)損耗外，還必須對(duì)其管殼設(shè)計(jì)、芯片布局設(shè)計(jì)以及陶瓷基板設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行研究，充分降低從芯片到管殼的熱阻，將產(chǎn)品內(nèi)部的發(fā)熱量盡快、盡可能散

發(fā)出去，避免由于內(nèi)部熱量過(guò)度累積、溫度上升過(guò)高而導(dǎo)致內(nèi)部芯片燒毀。

4.1 整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要是考慮發(fā)熱芯片的安裝位置和安裝工藝問(wèn)題。在進(jìn)行具體的產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，芯片的安裝位置以及安裝工藝不是固定不變的，要根據(jù)具體產(chǎn)品情況進(jìn)行分析，找出最有利于散熱的安裝方法。

發(fā)熱元件熱量的傳遞主要有傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種方式，在不同情況下，起主要導(dǎo)熱的途徑可能不太相同。比如，當(dāng)物體的溫度超過(guò)500℃時(shí)，此時(shí)物體會(huì)以可見(jiàn)光的形式向外輻射熱量，此時(shí)，輻射是熱傳遞的主要方式;而在低溫情況下，物體只能通過(guò)紅外光的形式向外輻射能量，此時(shí)熱輻射在物體熱傳遞就只能占據(jù)很小的比例。由于固體繼電器的溫度不會(huì)太高，因此輻射不是其向外散發(fā)熱量的主要方式，在此不作過(guò)多考慮;因此，傳導(dǎo)和對(duì)流就成了固體繼電器的主要熱傳遞方式。根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際安裝方式的不同，傳導(dǎo)和對(duì)流在其對(duì)外熱傳遞中的比例也會(huì)發(fā)生變化;具體來(lái)說(shuō)，就是有的安裝方式傳導(dǎo)占熱量散發(fā)的絕大部分，而有些安裝方式，對(duì)流有起主要的決定左右。

4.1.1 接線(xiàn)腳彎插印制板形式產(chǎn)品芯片安裝方式的選取

圖4和圖5是兩種典型的大功率固體繼電器結(jié)構(gòu)，由圖可以看出，兩個(gè)產(chǎn)品引出端均采取彎插印制板方式。通常情況下，用戶(hù)使用該類(lèi)產(chǎn)品是要安裝到印制電路板上的;眾所周知，普通印制電路板采用的FR-4覆銅板環(huán)氧玻璃布層壓板的導(dǎo)熱性能是很差的，這種安裝方式下，傳導(dǎo)對(duì)產(chǎn)品熱量的散發(fā)貢獻(xiàn)并不大，而對(duì)流在其中占了主要部分。

根據(jù)熱設(shè)計(jì)資料顯示，這兩種結(jié)構(gòu)在自然對(duì)流換熱的通用準(zhǔn)則方程式中的系數(shù)C具有很大差別，詳細(xì)情況見(jiàn)圖6。

由圖6可以看出，當(dāng)水平板熱面朝下是，其散熱系數(shù)僅為0.27，而其散熱面朝上時(shí)，其散熱系數(shù)為0.54。由此可見(jiàn)，這種安裝方式的產(chǎn)品，應(yīng)該優(yōu)先選擇圖5所示產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，這樣才更有利于產(chǎn)品內(nèi)部產(chǎn)生熱量的散發(fā)。

4.1.2 直接線(xiàn)腳焊線(xiàn)式產(chǎn)品芯片安裝方式的選取

隨著負(fù)載電流的增大，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)已經(jīng)不太適合做成彎插印制板形式，輸出端設(shè)計(jì)成直接線(xiàn)腳焊線(xiàn)形式也是一種大功率固體繼電器的典型結(jié)構(gòu)，如圖7所示。對(duì)于這種安裝方式的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，在實(shí)際使用安裝時(shí)，一般會(huì)將繼電器直接固定在一塊金屬板或金屬殼體上，此時(shí)如將芯片貼頂部安裝，雖然對(duì)對(duì)流比較有利，但會(huì)非常不利于傳導(dǎo)的方式。在這種情況下，一般還是適宜將芯片貼底部安裝。

4.2 殼體設(shè)計(jì)

殼體是大功率固體繼電器與外界環(huán)境接觸的介質(zhì)，因此，殼體設(shè)計(jì)因素，必定會(huì)對(duì)產(chǎn)品的散熱產(chǎn)生直接影響。通常，在管殼設(shè)計(jì)方面，我們首先應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則。

4.2.1 增大產(chǎn)品的表面積

物體向外傳遞熱量的能力與其表面積成正比。以表1為例，一個(gè)邊長(zhǎng)為10mm的正方體，其體積為1000mm3，其表面積為600mm2，將該外殼的長(zhǎng)度邊長(zhǎng)50mm，厚度改為2mm，在體積不變的情況下，其表面積增大到了1240mm2，增大了106%，其向外傳遞熱量的能力也將隨之增大，這也就是為什么大部分情況將固體繼電器設(shè)計(jì)成扁平狀的原因。

而提高其向外傳遞熱量的能力。我們以一個(gè)長(zhǎng)度為25mm、寬度為15mm、高度為10.5mm的外殼來(lái)建模驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖8、圖9。

從圖8和圖9可以看出，在殼體外形尺寸不變的情況下，我們僅在殼體表面開(kāi)了一些槽，其表面積就從原有的1590mm2增大到了2262mm2，表面積提高了約42%。

4.2.2 殼體材料的選擇

為了便于產(chǎn)品內(nèi)部熱量的散發(fā)，殼體材料應(yīng)盡量選取導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料，比如銅材等。常用金屬材料導(dǎo)熱系數(shù)見(jiàn)表2。

5 結(jié)論

本文主要從電氣設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面對(duì)大功率固體繼電器設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析。在實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，大功率固體繼電器需要考慮的因素還有很多，比如用戶(hù)的實(shí)際需求，穩(wěn)態(tài)負(fù)載和瞬態(tài)負(fù)載、產(chǎn)品周?chē)纳釛l件等，隨著固體繼電器技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)大功率固體繼電器設(shè)計(jì)的認(rèn)知會(huì)越來(lái)越深入，設(shè)計(jì)技術(shù)也一定會(huì)越來(lái)越成熟。

參考文獻(xiàn)

[1] 固體繼電器結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力分析及其優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].常國(guó)梅.河北工業(yè)大學(xué)碩士論文.

[2] 固體繼電器熱設(shè)計(jì)探討[J].黃迎輝.徐奎.Electromechanical Components.

（作者單位：貴州航天電器股份有限公司）